【摘要】：合成孔徑雷達(dá)(Synthetic Aperture Radar,SAR)作為一種重要的對(duì)地觀測手段,能夠不受時(shí)間、距離和天氣的限制,完成高分辨對(duì)地觀測,在民用和軍用方面都有重要意義。隨著微波技術(shù)和信號(hào)處理技術(shù)的日益發(fā)展,SAR的產(chǎn)品不僅僅局限于提供地面的二維高分辨圖像,還能實(shí)現(xiàn)地面動(dòng)目標(biāo)檢測及參數(shù)估計(jì)、三維及多維成像、全息成像等任務(wù)。分布式SAR、多基/站SAR和多航過SAR等數(shù)據(jù)獲取模式是目前以及將來SAR成像技術(shù)發(fā)展的熱點(diǎn)。由于這些SAR系統(tǒng)中的各個(gè)雷達(dá)或各個(gè)軌跡之間存在空間基線,它們可以看做是干涉技術(shù)在時(shí)間域和空間域上的擴(kuò)展,可統(tǒng)一被看作為多基線SAR。然而,與圖像域干涉處理技術(shù)不同,多基線SAR充分利用多基線空間分布構(gòu)型優(yōu)勢,在回波信號(hào)的空間域、時(shí)間域或頻率域?qū)崿F(xiàn)對(duì)地面動(dòng)/靜目標(biāo)的觀測,其成像算法更加復(fù)雜。本文立足于多基線SAR數(shù)據(jù)獲取模式,充分分析多基線SAR回波信號(hào)模型,結(jié)合多維信號(hào)處理技術(shù)、壓縮感知技術(shù)和多項(xiàng)式相位信號(hào)處理技術(shù)、研究多基線SAR二維成像、三維成像、全息成像、動(dòng)目標(biāo)參數(shù)估計(jì)等一系列問題,并提出行之有效的多基線成像和動(dòng)目標(biāo)參數(shù)估計(jì)方案,提高多基線SAR成像和參數(shù)估計(jì)性能。主要研究內(nèi)容和貢獻(xiàn)如下:(1)建立低軌條件下多基線SAR回波的三維空-時(shí)信號(hào)模型,并根據(jù)其泰勒展開方程分析了回波信號(hào)各個(gè)相位對(duì)目標(biāo)聚焦的影響;針對(duì)多基線SAR二維成像時(shí)回波數(shù)據(jù)量大、二維稀疏采樣硬件實(shí)現(xiàn)困難等問題,提出了基于壓縮感知的超低PRF二維成像算法,針對(duì)多基線SAR高度向孔徑采樣稀疏非均勻特點(diǎn),結(jié)合壓縮感知信號(hào)處理技術(shù),利用凸優(yōu)化理論實(shí)現(xiàn)多基線SAR三維重構(gòu),降低壓縮感知重構(gòu)算法對(duì)場景稀疏條件的要求,實(shí)現(xiàn)低采樣條件下的圖像三維重構(gòu)。(2)提出星載SAR全息成像的概念。為實(shí)現(xiàn)SAR全息成像的多基線圓跡軌道物理?xiàng)l件,首先分析天基圓跡對(duì)地觀測的形成機(jī)理,建立地球同步軌道條件下的多基線全息成像模型,并設(shè)計(jì)地球同步軌道運(yùn)行參數(shù);然后,針對(duì)圓跡地球同步軌道成像時(shí)合成孔徑時(shí)間長、距離-方位嚴(yán)重耦合、非“停-走-�！睌�(shù)據(jù)獲取模式等問題,提出基于子孔徑BP-壓縮感知的星載SAR全息成像算法,在時(shí)空域?qū)崿F(xiàn)地面凝視場景的全息重構(gòu)。(3)突破當(dāng)前對(duì)動(dòng)目標(biāo)運(yùn)動(dòng)參數(shù)估計(jì)僅局限于二維速度(距離速度和方位速度)的現(xiàn)狀,提出基于Fr FT(Fractional Fourier Transform)的動(dòng)目標(biāo)三維速度(距離速度、方位速度和高度向速度)估計(jì)方法。首先,建立多基線SAR地面動(dòng)目標(biāo)三維運(yùn)動(dòng)回波模型—二階PPS(Polynomial Phase Signal)模型,并分析動(dòng)目標(biāo)三維速度對(duì)該P(yáng)PS的一階和二階相位系數(shù)的影響;然后,通過Fr FT估計(jì)多基線SAR的各階相位系數(shù),并聯(lián)立基線方程組優(yōu)化求解動(dòng)目標(biāo)三維速度參數(shù)。本文所提方案考慮到空中運(yùn)動(dòng)、地面起伏和海面風(fēng)浪等三維因素對(duì)運(yùn)動(dòng)目標(biāo)速度向量的影響,實(shí)現(xiàn)距離向、方位向和高度向三維速度的估計(jì),能夠?yàn)閯?dòng)目標(biāo)三維定位和未來運(yùn)動(dòng)趨勢提供更豐富的參考信息。(4)拓展本文提出的動(dòng)目標(biāo)三維速度估計(jì)方法。為了精確地描述復(fù)雜運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài),進(jìn)一步提出基于CPF(Cubic Phase Function)的三維加速度目標(biāo)運(yùn)動(dòng)參數(shù)估計(jì)方法,利用多基線SAR有效估計(jì)運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的距離向、方位向和高度向的速度以及加速度。由于二階PPS模型無法對(duì)多維加速運(yùn)動(dòng)信息進(jìn)行有效估計(jì),并考慮到六個(gè)運(yùn)動(dòng)參數(shù)之間的耦合特性,將動(dòng)目標(biāo)回波信號(hào)模型展開為更高階多項(xiàng)式相位形式,充分分析六個(gè)參數(shù)之間的關(guān)聯(lián)特性,逐步優(yōu)化求解動(dòng)目標(biāo)的三維速度和加速度。以上所研究的星載多基線SAR成像及動(dòng)目標(biāo)運(yùn)動(dòng)參數(shù)估計(jì)技術(shù)均是針對(duì)當(dāng)前分布式SAR、多基/站SAR、多航過SAR系統(tǒng)在執(zhí)行對(duì)地觀測任務(wù)中所面臨的亟待解決的前沿問題和技術(shù)難題,在剖析系統(tǒng)多基線構(gòu)型特點(diǎn)和回波解析模型的基礎(chǔ)上,進(jìn)行嚴(yán)謹(jǐn)?shù)睦碚撏茖?dǎo)和科學(xué)的仿真及半實(shí)物數(shù)據(jù)實(shí)驗(yàn),最終獲得多基線SAR的二維、三維以及全息圖像和動(dòng)目標(biāo)多維運(yùn)動(dòng)參數(shù)估計(jì)結(jié)果。通過本文的研究不僅能夠充分發(fā)揮多基線SAR構(gòu)型優(yōu)勢,擴(kuò)展多基線SAR立體觀測和動(dòng)目標(biāo)解析性能,而且所提出的多維信號(hào)處理技術(shù)、壓縮感知技術(shù)、多項(xiàng)式相位信號(hào)處理技術(shù)對(duì)合成孔徑聲納、超聲波陣列等其它應(yīng)用領(lǐng)域也具有一定的理論參考價(jià)值。
【圖文】：

2 2A rn A rnr B r B 由上式可知，在主星(三維空間基線為 0 的衛(wèi)星)零多普勒平面內(nèi)，場景中心目標(biāo)的斜距誤差為 0；而在同一個(gè)慢時(shí)間位置，δR主要受目標(biāo)位置和基線長度影響。在星載多基線 SAR 系統(tǒng)中，為保證各個(gè)雷達(dá)接收到的回波信號(hào)的相干性，空間基線一般在幾十到幾百米范圍之內(nèi)。下圖給出模型斜距誤差隨目標(biāo)參數(shù)和基線參數(shù)變化的曲線。

圖 2-2 斜距誤差隨三維基線變化關(guān)系Fig. 2-2 Variation of slant range error with 3D baselines
【學(xué)位授予單位】：哈爾濱工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號(hào)】：TN957.52

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本文編號(hào)：2631188